墊片的密封與泄漏

　一、墊片密封機(jī)理

　　泄漏即介質(zhì)從有限空間內(nèi)部流動(dòng)到外部，或者從外部進(jìn)入有限空間內(nèi)部。介質(zhì)流動(dòng)通過(guò)內(nèi)外空間的交界面即密封面發(fā)生泄漏。造成泄漏的根本原因是由于接觸面上存在間隙，而接觸面兩側(cè)的壓力差、濃度差則是泄漏的推動(dòng)力。由于泄漏面的形式及加工精度等因素的影響，密封面上存在間隙在所難免，這就會(huì)造成密封面不完全吻合，從而發(fā)生泄漏。要減少泄漏，就必須使接觸面最大程度地嵌合，即減小泄漏通道的截面積、增加泄漏阻力，并使之大于泄漏推動(dòng)力。對(duì)密封面施加壓緊載荷，以產(chǎn)生壓緊應(yīng)力，可提高密封面的接觸程度，當(dāng)應(yīng)力增大到足以引起表面產(chǎn)生明顯的塑性變形，就可填補(bǔ)密封面的間隙，堵塞泄漏通道。使用墊片的目的就是利用墊片材料在壓緊載荷的作用下較容易產(chǎn)生塑性變形的特性，使之填平法蘭密封面的微小凹凸不平，從而實(shí)現(xiàn)密封。

　　二、 墊片密封的泄漏形式

　　螺栓法蘭墊片連接中，墊片是最主要的密封元件。對(duì)于非金屬墊片來(lái)說(shuō)，連接的密封是通過(guò)擰緊螺栓，造成法蘭與墊片接觸表面及其墊片內(nèi)部較大的壓緊應(yīng)力，從而一方面使墊片表面與法蘭表面緊密貼合、填滿法蘭表面的微間隙，另一方面減小墊片材料的孔隙率、亦即減小被密封流體的泄漏通道。由于任何制造或加工方法都不可能形成絕對(duì)光滑的理想表面，也不可能實(shí)現(xiàn)密封面間的完全嵌合以及密封件本身孔隙的完全阻塞，所以在相互接觸的密封面間和密封件的內(nèi)部總是存在著微小的間隙或通道。因而，對(duì)墊片密封來(lái)說(shuō)，泄漏總是不可避免的。當(dāng)介質(zhì)以一定的壓力通過(guò)螺栓法蘭連接時(shí)，總會(huì)在密封點(diǎn)處出現(xiàn)泄漏，分析這種現(xiàn)象，可以發(fā)現(xiàn)它是以兩種形式出現(xiàn)的，即所謂的“界面泄漏”和“滲透泄漏”。

　　三、 墊片密封過(guò)程

　　在加載過(guò)程中，泄漏率隨墊片的壓縮變形量而變化。當(dāng)軸向壓緊載荷小于一定的值時(shí)，盡管墊片已產(chǎn)生了一定的壓縮變形量，但泄漏仍然很嚴(yán)重，基本上沒(méi)有密封能力;繼續(xù)增加壓緊載荷，墊片的壓縮變形量隨之增大，泄漏率逐漸減小;但當(dāng)軸向壓緊載荷大到一定程度時(shí)，泄漏率幾乎不變。在卸載過(guò)程中，墊片的壓縮變形量隨壓緊載荷的減小而減小，相應(yīng)的泄漏率隨之而增大，但在同一軸向載荷下，卸載時(shí)的泄漏率遠(yuǎn)較加載時(shí)所對(duì)應(yīng)墊片的應(yīng)力下的泄漏率小。當(dāng)軸向載荷減小到一定程度時(shí)，盡管墊片的彈性變形尚未完全消失，仍具有一定的回彈能力，但泄漏率已急劇增大。

　　四、 影響墊片泄漏的主要因素

　　對(duì)墊片密封來(lái)說(shuō)，其泄漏狀況與被密封介質(zhì)的物性、工況條件、法蘭密封面的粗糙程度、壓緊應(yīng)力以及墊片的基本特性、尺寸、加載卸載歷程等諸多因素有關(guān)。

　　1. 被密封介質(zhì)物性的影響

　　采用同樣的密封連接形式，在同樣的工況條件下，氣體的泄漏率大于液體的泄漏率，氫氣的泄漏率大于氮?dú)獾男孤┞省＿@主要是由于被密封介質(zhì)的物性參數(shù)不同造成的。在被密封介質(zhì)的物理性質(zhì)中，黏性的影響最大。黏度是流體摩擦力的量度，對(duì)于黏度大的介質(zhì)，其泄漏阻力大，泄漏率就小;對(duì)于黏度小的介質(zhì)，其泄漏阻力小，泄漏率就大。

　　2. 工況的影響

　　墊片密封的工況條件包括戒指的壓力、溫度等。不同的壓力、溫度下其泄漏率的大小不同。密封面兩側(cè)的壓力差是泄漏的主要?jiǎng)恿Γ瑝毫Σ钤酱螅橘|(zhì)就越易克服泄漏通道的阻力，泄漏就越容易。溫度對(duì)連接結(jié)構(gòu)的密封性能有很大的影響。研究表明，墊片的彈、塑性變形量均隨溫度增大而增大，而回彈性能隨溫度增高而下降，蠕變量則隨溫度的升高而增大。且隨著溫度的升高，墊片的老化、失重、蠕變、松弛現(xiàn)象就會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。此外，溫度對(duì)介質(zhì)的黏度也有很大的影響，隨著溫度的升高，液體的黏度降低，而氣體的黏度增加。溫度越高，泄漏越容易發(fā)生。

　　3.法蘭表面粗糙度的影響

　　相同的墊片預(yù)緊比壓下，法蘭表面粗糙度不同，泄漏率亦不一 樣。（相關(guān)閱讀：法蘭情況對(duì)墊片選擇的影響）通常，表面粗糙度越小，泄漏量越小。研磨過(guò)的法蘭密封面其密封效果要比未研磨的法蘭密封面的密封效果好。這主要是由于粗糙成俗小的密封表面其凹凸不平易被填平，從而使得界面泄漏大小 為減少。

　　4.墊片壓緊應(yīng)力的影響

　　墊片上的壓緊應(yīng)力越大，其變形量就越大。墊片的變形一方面有效地填補(bǔ)了法蘭表面上的不平度，使得界面泄漏大為減小;另一方面使得墊片本身內(nèi)部毛細(xì)孔被壓縮，泄漏通道的截面減小泄漏阻 力增加，從而泄漏率大大減小。但是如果墊片的壓緊應(yīng)力過(guò)大，則易將墊片壓潰，從而失去回彈能力，無(wú)法補(bǔ)償由于溫度‘壓力引起的 法蘭面的分離，導(dǎo)致泄漏率急劇增大。因此要維持良好的密封，必須使墊片的壓緊應(yīng)力保持在一定的范圍內(nèi)。

　　5. 墊片性能和幾何尺寸的影響

　　(1)墊片基本性能的影響 墊片基本性主要包括兩部分，一是墊片的力學(xué)能力，它包括墊片的壓縮回彈特性、蠕變和應(yīng)力松弛特性等;而是墊片的基本密封 性能。墊片的基本性能對(duì)連接的密封性能影響很大。 螺栓法蘭墊片連接的密封本質(zhì)上是通過(guò)墊片變形，以增加流體流動(dòng)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。墊片的壓縮特性部分的反應(yīng)了其表面與法蘭面嵌合，形成初始密封的能力。在操作條件下，由于螺栓的伸長(zhǎng)和法 蘭的變形，使法蘭面和墊片產(chǎn)生相對(duì)分離(墊片所受壓縮應(yīng)力減少)的傾向，這時(shí)連接的緊密與否很大程度上取決于墊片的回彈能 力。蠕變和應(yīng)力松弛是相聯(lián)系的，它反映了墊片材料在一定溫度和 載荷作用下其變形隨時(shí)間的增加而增加、其應(yīng)力隨時(shí)間的增加而減小的變化規(guī)律。蠕變和松弛是導(dǎo)致高溫密封連接泄漏率增大的重要原因。墊片密封性能表征了泄漏率與介質(zhì)壓力、墊片殘余壓緊力和溫度的關(guān)系，是墊片密封能力的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。

　　(2)墊片尺寸的影響

　　①墊片厚度的影響 在同樣的壓緊載荷、同樣的介質(zhì)壓力作用下，泄漏率隨墊片厚度的增加而減少。這是由于在同樣的軸向載荷作用下，厚墊片具有較大的壓縮回彈量，在初始密封條件已經(jīng)達(dá)到的情況下，彈性儲(chǔ) 備較大的厚墊片，比薄墊片更能補(bǔ)償由于介質(zhì)壓力引起的密封面間的相對(duì)分離，并使墊片表面保留較大的殘余壓緊應(yīng)力，從而使得泄漏率減少。但不能說(shuō)墊片越厚，其密封性能越好。這是因?yàn)椋瑝|片 的厚度不同，建立初始密封的條件也不同，由于端面上摩擦力的影響，墊片表面呈三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，材料的變形抗力較大;而墊 片中部，受端部的影響較小，其變形抗力也較小。在同樣的預(yù)緊載 荷下，墊片中部較墊片表面更容易產(chǎn)生塑性變形，此時(shí)，建立初始密封面也越困難，故當(dāng)墊片厚度達(dá)到一定數(shù)值以后，密封性能并無(wú)改變甚至惡化。此外，墊片越厚，滲透泄漏的截面積越大。滲透泄 漏率也就越大。

　　②墊片寬度的影響

　　在一定的范圍內(nèi)，隨著墊片寬度的增加，泄漏率呈線性遞減。 這是因?yàn)樵趬|片有效寬度內(nèi)介質(zhì)泄漏阻力與泄漏通道的長(zhǎng)度(正比 于墊片寬度)成正比。但也不能說(shuō)，墊片越寬越好，因?yàn)閴|片越寬，墊片的表面積就越大，這樣要在墊片上產(chǎn)生同樣的壓緊應(yīng)力，寬墊片的螺栓力就要比窄墊片大得多。